GPS测量原理和应用各章知识点总结

         桂林理工大学    测绘08-1     JL（纯手打）

第一章  绪论

1、GPS系统是以卫星为基础的无线电导航定位系统，具有全能性、全球性、全天候、连续性和实时性的导航、定位和定时的功能。能为各个用户提供三维坐标和时间。

2、GPS卫星位置采用WGS-84大地坐标系

3、GPS经历了方案论证、系统论证、生产试验三个阶段。整个系统包括卫星星座、地面监控部分、用户接收机部分。

4、GPS基本参数为：卫星颗数为21+3，卫星轨道面个数为6，卫星高度为20200km，轨道倾角为55度，卫星运行周期为11小时58分，在地球表面任何时刻，在高度较为15度以上，平均可同时观测到6颗有效卫星，最多可以达到9颗。

5、应用双定位系统的优越性：

   能同时接收到GPS和GLONASS卫星信号的接收机，简称为双系统卫星接收机。

  （1）增加接收卫星数。这样有利于在山区和城市有障碍物遮挡的地区作业

  （2）提高效率。观测卫星数增加，所以求解整周模糊度的时间缩短，从而减                       少野外作业时间，提高了生产效率。

  （3）提高定位的可靠性和精度。因观测的卫星数增加，用于定位计算的卫星数增加，卫星几何分布也更好，所以提高了定位的可靠性和精度。

6、在GPS信号导航的定位时，为了解算测站的三维坐标，必须观测4颗（以上）卫星，称为定位星座。

7、PRN----------卫星所采用的伪随机噪声码

8、在导航定位测量中，一般采用PRN编号。

9、用于捕获信号和粗略定位的为随机码叫做C/A码（又叫S码），用于精密定位的精密测距码叫P码

10、GPS系统中各组成部分的作用：

  卫星星座

1、向广大用户发送导航定位信息。

2、接收注入站发送到卫星的导航电文和其他相关信息，并通过GPS信号电路，适时的发送给广大用户。

3、接收地面主控站通过注入站发送到卫星的调度命令，适时的改正运行偏差和启用备用时钟等。

   地面监控系统

地面监控系统包括1个主控站，3个注入站和5个监测站。

1、监测和控制卫星上的设备是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行。

2、保持各卫星处于同一时间。

   GPS接收机

接收机硬件和机内软件以及GPS数据的后处理软件包，构成完整的GPS用户设备。GPS接收机的结构非为天线单元和接收单元两大部分。

作用：能够捕获按一定卫星高度截止角多选择的待测卫星信号，并跟踪这些卫星的运行，对说接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时的计算出测站三位位置，甚至三位速度时间。

10、GPS的特点：

   1、定位精度高 2、观测时间短 3、测站间无需通视 4、可提供三维坐标 5、操作简单 6、全天候作业 7、功能多，应用广

第二章  坐标系统和时间系统

1、完全定义一个空间直角坐标系必须明确：1、坐标原点的位置 2、三个坐标轴的指向。3、长度单位。

2、地球的瞬时自转轴在地球上随时间而变，称为极地移动，简称极移。

3、WGS-84坐标系

   WGS-84的几何定义：原地位于地球质心，Z轴指向 BIH 1984.0定义的协议地球极（CTP）方向，X轴指向BIH 1984.0的零子午面和CTP赤道的交点，Y轴与Z、X轴构成右手坐标系。长半轴 a=6378137+-2m，α=1/298.257223563

4、WGS-84大地水准面N等于由GPS定位测定的点的大地高H减去该点的正高H。

5、我国目前常用的两个国家大地坐标系：1954北京坐标系，1980年国家大地坐标系。1980年国家大地坐标系的的大地原点设在我国中部-陕西省泾阳县永乐镇，高程系统基准是19556年青岛验潮站求出的黄海平均海水面。

6、GPS时间系统

   GPS系统是测试测距系统。GPS时间系统采用原子时ATI秒长作为时间基准，但时间起算的原点定义在1980年1月6日UTC 0时。

第3章   卫星运动基础及GPS卫星星历

1、只考虑地球地心引力作用的卫星运动称为卫星的无摄运动。

2、考虑了摄动力作用的卫星运动称为卫星的受摄运动。摄动力包括: 地球引力场摄动力（影响最大）、日月摄动力、大气阻力、光压摄动力潮汐摄动力。

3、卫星星历：描述卫星运动轨道的信息。 分为预报星历和后处理星历。

4、预报星历有叫广播星历。通常包括相对某一参考历元的开普勒轨道参数和必要的轨道摄动改正项参数。

5、广播星历参数共有16个，包括1个参考时刻，6个对应参考时刻的开普勒轨道参数和9个反映摄动力影响的参数。

6、C/A码星历------一种用C/A码传送的卫星星历。P码星历----------一种用P码传送的卫星星历。

7、后处理星历（有滞后性）：一些国家某些部门，根据各自建立的卫星跟踪站所获得的对GPS卫星的精密观测资料，应用与确定广播星历相似的方法而计算的卫星星历。

第4章  GPS卫星的导航电文和卫星信号

1、卫星导航电文：是用户用来定位和导航的数据基础。它主要包括：卫星星历、时钟改正、电离层延迟改正、工作状态信息C/A码转换到捕获P码。

2、GPS卫星信号是用于导航定位的调制波，他包含有：载波、测距码和数据码。

3、调制：将频率较低的信号加载在频率较高的载波上的过程。

4、GPS 接收机分类：

   按用途分：导航型接收机、测地型接收机和授时型接收机

   按接收机的载波频率分：单频接收机、双频接收机

   按通道数分：多通道接收机、序贯通道接收机和多路多用通道接收机

   按工作原理分：码相关型接收机、平方型接收机、混合型接收机和干涉型接收机。

第5章            GPS卫星定位基本原理

1、GPS卫星定位的基本原理：将无线电信号发射台从地面点搬到卫星上，组成卫星导航定位系统，应用无线电测距交会原理，便可由三个以上地面已知点（控制站）交会出卫星的位置，反之利用三颗以上卫星的已知空间位置又可交会出地面未知点（用户接收机）的位置。

2、依据测距的原理，GPS定位原理和方法主要有：伪距法定位，载波相位测量定位和差分GPS定位等。

3、对于待定点来说，根据其运动状态可以将GPS定位分为静态地位和动态定位。

4、静态定位：对于固定不动的待定点，将GPS接收机安置与其上测，观测数分钟乃至更长的时间，以确定改点的三维坐标。

5、动态定位：至少有一台接收机处于运动状态，测定的是各观测时刻（观测历元）运动中的接收机的点位。

6、相对定位：至少用两台GPS接收机，同步观测相同的GPS卫星，确定两台接收机天线之间的相对位置。

7、绝对定位：（也叫单点定位）利用GPS卫星和用户接收机之间的距离观测值直接确定用户接收机天线在WGS-84坐标系中相对于坐标原点-----地球质心的绝对位置。

8、静态绝对定位：接收机天线处于静止状态下，确定观测站坐标的方法。

9、动态绝对定位：在用户接收机安置在运动的载体上并处于动态情况下，确定载体瞬时绝对位置的定位方法。

10、为了减少轨道误差、卫星钟差、接收机钟差以及电离层和对流层的折射误差的影响，常采用载波相位观测值的各种线性组合（即差分值）作为观测值。

                             伪距测量

11、伪距法定位：由GPS接收机在哦某一时刻测出得到四颗以上GPS卫星的位居及已知的卫星位置，采用距离交会的方法求定接收机天线所在点的三维坐标。（所测伪距就是有卫星发射的测距码信号到达接收机的传播时间乘以光速所得的量测值。）

12、伪距法定位优点：定位速度快，且无多值性问题。缺点：

13、用码相关技术来确定伪距可以排除随机误差的影响。

14、伪距法定位观测方程：

                            载波相位测量

15、重建载波：设法将调制在载波上的测距码和卫星电文去掉，重新获取载波的工作。一般采用码相关法和平方法。

16、载波相位测量存在整周数不确定的问题。

                          整周未知数No的确定

方法有：

1、伪距法 2、将整周未知数当作平差中的待定参数-----经典方法。3、多普勒法 4、快速确定整周未知数

伪距法：在进行载波相位测量的同时有进行伪距测量，将伪距测量值减去载波相位测量值后即可得到λNo。

                           整周跳变的修复

1、周跳：受无线电信号干扰造成失锁，整周计数无法连续进行而造成整周计数不正确，但是不到一个整周的相位观测值仍是正确的。

2、产生周跳的原因有：

1、建筑物或树木等障碍物的遮挡  2、电离层电子活动剧烈  3、多路径效应的影响 4、卫星噪声比太低  5、接收机的高动态 6、接收机内置软件设计不合理

3、整周跳变修复方法：

   1、屏幕扫描法  2、用高次差或多项式拟合法  3、在卫星间求差  4、用双频观测值修复周跳  5、根据平差后的残差发现和修复整周跳变

3、用双频观测值修复周跳的方法的优点是：双频载波相位观测值的组合中个参数之涉及频率，取决于电离层残差影响，无需事先知道测站和卫星的坐标。缺点是：不能顾及多路径效应和测量噪声的影响，另外如果两个载波相位观测值中都出现周跳，则不可用此方法。

4、固定解：整周未知数解算后，不再为整数，可将其调整为整数，解算出的观测站坐标称为固定解，否则称为实数解。

5、精度因子：HDOP(平面位置精度因子)、VDOP（高程精度因子）、PDOP（空间位置精度因子）、TDOP（接收机钟差精度因子）、GDOP（几何精度因子）

6、一次差：将观测值直接相减的过程。（接收机间求差）；作用：可以消除与卫星有关的载波相位及其钟差项

7、二次差：对一次差分观测值继续求差，所得的结果仍可以当作虚拟观测值。（接收机间求差、卫星间求差） 作用：与接收机有关的载波相位及其钟差项

8、三次差：对二次差分值继续求差。（接收机间求差、卫星间求差、不同历元间求差） 作用：消除出事整周模糊度项。

9、差值法都引入了线性相关。

10、GPS卫星发射的无线电信号含有两种精度不同的测距码，即P码（精码）和C/A码（粗码）

11、SA和AS技术对定位的影响：（1）降低单点定位精度 （2）降低长距离相对定位的精度 （3）AS技术会对高精度相对定位数据处理，整周未知数的确定带来不便。

12、针对SA和AS的对策：①应用P-W技术和L1与L2交叉相关技术，使L2载波相位测量值得到恢复，其精度与使用P码相同。②研制能同时接受GPS 和GLONASS信号的接收机。③发展DGPS和WADGPS差分系统。④建立的GPS卫星测轨系统。⑤建立的卫星导航和定位系统。

                           差分GPS定位原理

1、GPS定位中，存在三部分的误差：一是多台接收机共有的误差，如：卫星钟差、星历误差。二是传播延迟误差，如：电离层延迟误差、对流层延迟误差。三是接收机固有的误差，如：内部噪声、多路径效应。

2、差分GPS可分为单基准站差分、具有多个基准站的局部区域差分和广域差分三种类型。

3、单站差分按基准站发送的信息方式可分为：位置差分、伪距差分和载波相位差分。

4、位置差分优点：计算简单，适用于各种型号的GPS 接收机。缺点：基准站与用户必须观测同一组卫星，这在近距离可以做到但远距离较长时很难满足。故，位置差分，值适用于100km以内。

5、伪距差分的优点是：基准站提供所有卫星的改正数，用户接收机观测任意4颗卫星，就可以完成定位。缺点：差分精度随基准站到用户的距离增加而降低。

6、RTK：实时处理两个测站载波相位观测量的差分方法。

7、广域差分P70。

第7章        GPS测量误差来源及其影响

                      与信号传播有关的误差

有：（1）电离层折射误差 （2)对流层折射误差 (3)多路径效应

电离层折射误差：

1、电离层延迟误差：    GPS信号穿过电离层时，信号路径发生弯曲，传播速度也会发生变化，从而使测量距离产生偏差，这种偏差叫电离层折射误差。

    2、减弱电离层影响的措施：a利用双频观测 b、利用电离层改正模型加以修正  c、利用同步观测值求差

对流层折射误差：

1、流层折射误差：GPS信号穿过对流层时，信号路径发生弯曲，传播速度也会发生变化，从而使测量距离产生偏差，这种现象叫做对流层折射误差。

2、减弱对流层折射改正残差影响的措施：a、采用对流层模型加以改正

b、映入附加待估参数 c、利用同步观测量求差。

多路径效应：

1、多路径误差：测站周围的反射物锁反射的卫星信号进入接收机天线，这就和直接来自卫星的信号产生干涉，从而使观测值偏离真值产生的偏差。

2、多路径效应：由于多路径信号传播锁引起的干涉时延效应被称为多路径效应。

3、消除措施：

（1）、选择合适站址

      a、测站应远离大面积平静水面 b、测站不宜选择在山坡、山谷和盆地中。          c、 测站应离开高层建筑物。

（2）对接手机天线的要求

       a、在天线中设置抑径板 b、接收机天线对于极化特性不同的反射信号应该有较强的抑制作用。

                        与卫星有关的误差

  有：（1）卫星星历误差 （2）卫星钟钟差 （3）相对论效应

卫星星历误差 ：

1、卫星星历误差：由星历所给出的卫星空间的位置与实际位置之差。

2、解决星历误差的方法：a、建立自己的卫星跟踪网定轨  b、轨道松弛法 c、同步观测值求差

卫星钟钟差 ：八婆扩有钟差、频偏、频漂等产生的误差，也包含钟的随机误差。

相对论效应：

1、相对论效应：由于卫星钟和接收机钟所处的状态不同而引起卫星钟和接收机钟之间产生相对中误差的现象。

                        与接收机有关的误差

有：（1）接收机钟误差 （2）接收机位置误差 （3）天线相位中心位置误差及几何强图形度误差等

1、减弱接收机钟差的方法:

   a、把每个观测时刻的接收机钟差当着一个的未知数，在数据处理中与观测站的位置参数一并求解。

   b、认为各观测时刻的接收机钟差间是相关的，像卫星钟那样，将接收机钟差表示为时间多项式，并在观测量的平差计算中求解多项式的系数。

   c、通过卫星间求一次差来消除接收机的钟差。

2、接收机天线相位中心相对测站标石中心位置的误差，叫接收机位置误差。

3、天线相位中心位置误差：观测时相位中心的瞬时位置与理论上的相位中心将有所不同而产生的差别。

第八章           GPS测量的设计与实施

GPS测量技术设计

1、GPS网技术设计的主要依据是GPS测量规范和测量任务书。

2、GPS网按级别分可分为AA、A、B、C、D、E；按等级分为二、三、四、一级、二级。

GPS网的基准设计

1、在GPS网的技术设计时，必须明确GPS网所采用的坐标系统和起算数据，即明确GPS网所采用的基准，我们称这项工作为GPS网的基准设计。

2、GPS网的基准包括位置基准、方位基准和尺度基准。

3、方位基准一般以给定的起算方位角确定，也可以由GPS基线向量的方位作为基准。

4、尺度基准一般由地面的地磁波测距边确定，也可由两个起算点间的距离确定，同时也可以由GPS基线向量的距离确定。

5、位置基准一般是由给定的起算点坐标确定。

6、GPS网的基准设计实质上主要是指确定网的位置基准问题。

7、GPS基准设计应该考虑的问题：P117.

GPS网构成的几个基本概念及征条件

1、观测时段：测站上从开始接受卫星信号到观测停止，连续的工作时间段。

2、同步观测：两台或两台以上的接收机同时对一组卫星进行观测。

3、同步观测环：三天或三台以上接收机同步观测获得的基线向量构成的闭合环。

4、观测环：由观测所获得的基线向量构成的闭合环。

5、异步观测环：在构成多边形环路中的所有基线向量中，只要有非同步观测基 线向量，则该多边形环路叫异步观测环。

6、基线：对于N台GPS接收机构成的同步观测环，有J条同步观测基线，其中基线数为（N-1）

7、非基线：除基线外的基线。

8、当同步闭合环的闭合差较小时，只能说明GPS基线向量的计算合格，不能说明GPS边的观测精度高，也不能发现接收到的信号收到干扰而产生的某些粗差。

9、为了确保GPS观测效果的可靠性，有效的发现测量成果中的粗差，必须使GPS网中的边构成一定的几何图形。

GPS网的图形设计：

主要取决与用户的要求和=、经费、时间、人力和所投入接收机的类型、数量和后勤保障条件等。

1、网形主要有：点连式、边连式、网连式、边点混合连接四种。

2、网形的选择：主要取决与工程的精度要求、野外条件和GPS接收机台数等因素。

3、点连式: 相邻同步图形间仅有一个公共点的连接。

4、边连式:相邻同步图形间由一条公共基线连接。

5、网连式:相邻同步图形间由两个以上公共点相连接。

6、边点混合连接：把点连式和边连式有机结合起来，组成GPS网，既能保证网的几何强度。提高网的可靠指标，有能减少外业工作量，降低成本。

在实际布网的设计时还要注意一下几点原则：

a、GPS点间尽管不需要通视，但考虑到利用常规测量加密时的需要，每点应有一个方向以上通视。

b、为了估计原有城市的测绘成果资料以及各种大比例尺地形图的沿用，应采用原有城市坐标系统。对凡符合GPS网点要求的旧点，应该充分利用其标石。

c、GPS网必须由非同步观测边构成若干个闭合环或符合路线。

GPS测量外业准备及技术设计书编写

1、在进行GPS外业工作之前，必须做好实施前的：测区踏勘、资料收集、器材筹备、观测计划拟定、GPS仪器检校及设计书编写等工作。

2、技术设计书编写内容：

  a、任务来源及工作量 b、测区概况 c、布网方案 d、选点与埋标 e、观测

d、数据处理 e、完成任务措施

8.3  GPS 测量的外业实施（P134）

第九章              GPS数据处理

数据传输

1、数据传输的同时进行数据分流，生成四个数据文件：载波相位和伪距观测值文件、星历参数文件、电离层参数文件和UTC参数文件、测站信息文件。

数据与处理

1、GPS数据预处理的目的是：对数据进行平滑滤波检验，剔除粗差；统一数据文件格式并将各类数据文件加工成标准化文件，找出整周跳变并修复观测值；对观测值进行各种模型改正。

2、在进行平差之前，观测文件必须规格化、标准化。

基线向量的解算及网平差

1、基线处理完成后应对其结果作以下分析和检核：

  a、观测值残差分析 b、基线长度的精度 c、基线向量闭合差的计算及检核。

GPS高程

1、高程异常：大地水准面至参考椭球面的高差。

2、GPS水准：利用GPS和水准测量成果确定似大地水准面的方法。

3、计算GPS点的正常高方法有：GPS水准、GPS重力高程和GPS三角高程。

4、GPS水准高程计算方法：

   a、绘等值线图法 b、解析内插法  c、曲面拟合法  d、移动曲面法 e、地形改正方法 f、多项式拟合精度评定

5、RINEX的GPS观测文件有：O文件、N文件、W文件。

第10章                GPS的应用

GPS的应用有：

1、大地控制测量

2、精密工程测量和变形监测

3、航空摄影

4、线路勘测及隧道贯通测量

5、地形、地籍及房地产测量

6、海洋测绘

7、智能交通系统

8、地球动力学及地震研究

9、气象信息测量

10、航海航空导航